基于纳米天线多极子耦合的定向散射场动态调控特性研究

作     者：刘钧妍 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘绍鼎

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：散射场方向性 电磁共振 多极展开理论 Kerker效应 光学纳米天线 

摘      要：光学纳米天线由于可以激发出较为丰富的共振模式成为了微纳光子学领域的研究热点,是现代纳米光子器件重要的组成部分,在激光器、太阳能电池、光电探测、生物医学及近场光学等领域有广泛的应用。在对纳米天线的光学性能的研究中,纳米颗粒对光的散射作用为其重要的分支,纳米天线所支持的复杂而有趣的光学共振模式对纳米结构的设计和散射场调控方法提供了更多的可能。研究电磁多极子之间的相互作用是分析光场的基本方法,其中基于电磁共振的激发实现对散射场方向性的有效调控尤为重要。因此,基于多极子耦合对光学纳米天线散射场特性的调控的研究在微纳光子学研究领域的占据非常重要的地位。本文基于多极展开理论,分析光学纳米天线的电磁共振响应及多极子之间的耦合作用,对其散射场特性的操控进行研究。论文首先设计了一种具有扇形孔洞的硅圆盘结构的纳米天线,该纳米结构在平面波的激发下便可产生沿入射场波矢方向的磁偶极共振,通过调整结构的各项尺寸参数,能够实现对磁偶极共振波长、共振强度及相位的调节。其次,论文采用相变材料设计纳米天线,由于改变温度情况下相变材料可具有不同结晶度,故可实现对材料折射率的动态调整,进而影响电磁共振之间的耦合作用,最终实现对入射光场沿前/后向单向性散射的有效调控。论文主要工作内容如下:(1)验证了适用于不同结构的纳米粒子在自由空间及存在电介质衬底情况下的多极展开方法。通过计算出任意形状的纳米粒子散射体内部的感应极化电流的多极子分解(至三阶),得到散射场的相应多极表达式,最终得到电磁多极子在散射光谱中的贡献。多极子之间的相互作用是影响散射场特性的本质原因,因此多极展开理论是分析散射场的一个重要工具。论文展示了部分计算结果,与相关参考文献报道结果基本吻合,验证了所编制多极展开理论程序的正确性。(2)设计了一种具有扇形孔洞的硅圆盘结构的纳米天线,使其在平面波正入射情况下,产生了沿入射场波矢方向的磁偶极矩。研究中重点分析了该纳米天线的电磁共振响应特性,总结了结构的各项尺寸参数对电/磁偶极共振的影响,通过对磁偶极与电偶极共振幅度和相位的调整,有望实现散射场侧向的定向散射。(3)利用相变材料设计了两种结构的纳米天线,一种为碲化锗材料构成的简单球形结构;另一种是由金材料及碲化锗材料构成的核壳结构。通过调整结构参数和材料结晶度,分析了电磁共振的幅度和相位关系及其之间的耦合作用,最终通过调整结晶度,实现了在同一波长下定向散射场散射方向的调整,因而通过改变相变材料温度能够实现对所设计纳米天线散射场方向性的动态调控。